锂电池极片不平度研究与辊压机结构优化分析

朱海鑫

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2107-5640-1381

摘  要：辊压以后，锂电池极片的实际厚度会发生不均匀的变化，为了有效避免其极片厚度变化情况，提升锂电池的整体质量与稳定性，就必须要针对实际情况，对辊压机结构进一步优化，并在压辊两侧安装液压缸，并搭建辊压极片设计平台，改进与优化之后的结构，可有效改进锂电池厚度的整体均匀度，从而不断提高锂电池的生产效率与质量。

关键词：锂电池  极片不平度  辊压机  结构优化

中图分类号：TM91                            文献标识码：A                 文章编号：1674-098X（2021）06（b）-0027-03

Research on the unevenness of Lithium Battery electrode and optimization analysis of roller press structure

ZHU  Haixin

（Nortel EST （Jiangsu） Technology Co.， Ltd.， Changzhou， Jiangsu Province， 213200  China）

Abstract： After roller pressing， the actual thickness of lithium battery electrode will change unevenly. In order to avoid the change of the thickness of lithium battery electrode effectively and improve the overall quality and stability of lithium battery， we must aim at the actual situation， the structure of the roller press is further optimized， and the hydraulic cylinders are installed on both sides of the roller press， and the design platform of the roller press pole is set up， so as to improve the production efficiency and quality of lithium battery.

Key Words： Lithium battery; Electrode unevenness; Roller press; Structure optimization

锂电池在人们的生活当中是非常常见的一种电池能源，在极片生产过程中，一般情况下会使用辊机压实涂布之后的正负极，从而提高放电容量，减少内阻，这样也能够有效提升锂电池的实际利用率。辊压机对锂电池极片进行压制过程当中，极片两侧厚度会低于中部，这样也会直接影响极片的整体质量。本文对锂电池极片不平度现象发生的原因进行了分析，并进一步探讨了锂电池极片不平度与辊压机结构优化措施，其对提升锂电池生产质量具有重要的作用和影响。

1  锂电池极片辊压过程中的不平度分析

锂电池有许多种不同的类型，如常见的有叠片式与圆柱式等，极片质量也会直接影响锂电池的整体性能，锂电池一般情况下主要是由许多个锂电池并联，或者是串联组成的，电池系统也不能有效控制极片的整体质量。此外，由于受到电池实际制造工艺技术的影响，也会对电池的稳定性与安全性产生不同程度的影响[1]。

1.1 极片辊压机对极片的影响

辊压机在对极片进行辊压之前，会根据极片的规格以及厚度等方面条件，对主动辊和从动辊两者之间的间隙进行适当的调节，因为和一般块状较大物质辊压有所不同，极片辊压机两辊间有0.8～1.2mm过盈量，所以，也会对压辊本身产生不同程度的弯矩。针对力矩叠加的基本原理，可进行计算，并获得压辊总挠度数据，通过分析得出，极片厚度不均匀主要是因为压辊轴方向所受到的不同力所导致的，其产生的影响主要和极片宽度、厚度及压辊直径等方面因素有关系[2]，如图1所示。

1.2 极片辊压受力仿真

极片辊压在受力仿真分析过程中，要构建压辊挠度曲线方程，并通过仿真软件，开展受力辊轴向变形试验。先搭建压辊模型，big采用Solidworks軟件建立静态应力分析。测量压辊直径，测算辊压前后极片的厚度实际变化情况，并获得极片和压辊圆周角数值、计算接触面积数值，绘制接触面的实际作用力范围，插入曲线分割线，开展加载力范围切割，从而保障压辊和极片能够获取最大的加载力。在进行仿真分析前，还需要构建坐标系，压辊用X轴来代表，压辊切向方向用Y轴来代表，压辊张力使用T来代表，从压制宽度方向施加作用力。使用曲率网格划分方法，进一步提升仿真精度，仿真运行之后，获得压轴的移位曲线图，并分析曲线图，可得出在辊压之后，出现厚度不均匀情况的具体原因。仿真分析实际结果显示，和受力分析结果之间进行对比，压辊变形不平整度曲线和其基本一致，这也能够充分说明辊压整个过程中，发生了变形状况，从而造成极片压制厚度发生了不均匀的情况[3]。

2  辊压机结构优化分析

对传统极片辊压机结构存在的弊端和不足进行分析，在实际改进与优化过程中，可在辊压两侧分别安装轴承座，同时在轴承座安装液压缸，该结构在实际运行过程中，液压施加的作用力是基本相同的，并且作用力方向和液压缸实际延长方向基本一致。对压辊某一端进行分析能够得出，这样的作用力在施加之后，会导致上压辊向下弯曲的情况，下压辊会逐渐朝上弯曲，液压缸在施加到X轴和Y轴2个方向的力是基本一致的，这样也能够有效中和极片对压辊的作用力效果，从而尽可能避免出现压辊变形的情况[4-5]。其次，压辊切向方向也具有张力，在和辊压力的作用下，会导致Y轴方向发生不同程度的偏移，因此，要最大程度上保障液压缸施加在压辊两侧的实际作用力不同，从而有效降低压辊发生变形的概率[6-7]。

2.1 建构辊压机优化结构模型

通过Solidworks软件构建辊压机模型，并对压辊进行重点结构改进，所以，应当使用刚化处理的模式，对辊压机结构进一步优化，并使用曲率网格划分方法，对上压辊与下压辊进行网格划分[8-9]，并在压輥两侧建立轴承座模型与液压缸模型。辊压机左侧接触辊压极片，液压缸便会向上施加作用力，并消除压辊X轴弯曲应力。其次，还应当保障1液压缸的实际推力大于2液压缸，这样也能够及时、有效地消除压辊Y轴方向张力。采用仿真分析，能够得到设计算例，以液压缸作用力为计算参数变量，并以长范围参数变量作为具体设置参数，如图2所示。

2.2 对压辊两端液压缸施力状况进行分析

优化参数设置过程中，液压缸1和液压缸2都是确定最小作用力值25×104N，最大值6.4×104N，步长选择3×103N，仿真结构选取过程中，压辊位移变形最小值作为参数优化目标。数据结果表明：液压缸1在5.2×104N，液压缸2在4.3×104N情况下，压辊位移变形量是最小的。采用千分尺分别测量辊压机结构在优化前后的极片厚度，将横向等距划分为51个探测点，并科学取值。

结果显示，在优化与改进辊压机结构之后，其对锂电池极片有着良好的压制效果，并且更为流畅，这样也能够保障极片压制厚度的整体均匀性。通过对液压缸作用力压辊上的具体数值进行极端，并结合参数结果进行分析，这样能够及时得到两侧液压缸施加的实际压力值。实验数据能够得出，液压缸直径在10cm时，要施加16MPa压力，这样才能够最大程度上保障液压缸能够正常稳定运行，促使辊压和实际工作需求之间相符合，如图3所示。

2.3 辊压机操作相关软件的二次开发分析

为了有效提升操作的便捷性，要针对各种不同辊压机尺寸与具体型号极片，并设计第二次开发软件，完成模型构建之后，合理选择VC++开发工具，并生成，结合参数表，使得模型更加参数化，与Access进行合理连接，并及时调用宏来提供相应的服务，在完成控制后，二次开发过程中，可直接在应用程序当中使用，从而大大简化了实际开发过程。建立辊压机，通过仿真软件分析液压缸数值。设计的软件平台，可直接输入辊压机极片参数，这样能够快速、准确地获取在不同情况下的液压缸适合的具体施力大小情况。

3  结语

经过实时测量，获取测量结果，经过优化改进之后的极片辊压机，可在最大程度上保障极片厚度的实际均匀性，这样也能够有效提升锂电池的性能与比功率。通过构建辊压机二次开发软件，这样能够针对辊压过程当中的各项不同情况，求得实际参数。实验结果显示，该方法能够进一步提升极片压实密度，让极片质量更加均匀，也提升了极片辊压的实际速度。

参考文献

[1] 关玉明，姜钊，赵芳华，等.锂电池极片不平度研究与辊压机结构优化分析[J].机械科学与技术，2018（2）：129-134.

[2] 刘斌斌，杜晓钟，王荣军，等.动力锂离子电池极片的辊压工艺研究[J].机械科学与技术，2018（4）：106-112.

[3] 刘怡胜，李健，李新.硅酸钙板辊压机滚筒的强度分析与优化设计[J].机械研究与应用，2019，32（6）：47-51，54.

[4] 黄毅，周兵.锂离子电池打包机的结构分析及优化[J].湖北工业大学学报，2019，30（2）：42-44.

[5] 日力夏提·阿布都热西提，尼加提·玉素甫，买买提明·艾尼.旋耕刀结构优化设计与动力稳定性分析[J].农机化研究，2016（1）：57-61.

[6] 闫法义，邹勇.航天热控制系统关键受力部件结构分析与优化研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2019（1）：194-197.

[7] 王威，孙长杰，王丽，等.基于改进卡尔曼滤波算法的锂电池荷电状态在线估算分析与研究[J].舰船电子工程，2020，40（3）：124-129.

[8] 龚正.重组竹材生产中自动化装模关键装置研究[D].杭州：浙江农林大学，2019.

[9] 张城.电动汽车动力电池绿色设计方法研究[D].合肥：合肥工业大学，2019.